航天外测系统详解

航天外测系统详解演示文稿现在是1页\一共有41页\编辑于星期二优选航天外测系统现在是2页\一共有41页\编辑于星期二

一个例子是：当一辆紧急的火车（汽车）鸣着喇叭以相当高的速度向着你驶来时，声音的音调（频率）由于波的压缩（较短波长）而增加。当火车（汽车）远离你而去时，这声音的音调（频率）由于波的膨胀（较长波长）而减低。

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假设多普勒发射机发射脉冲的工作频率为fT，目标与发射机的距离为R，则信号发往目标到返回天线所经过的距离为2R。这个距离用波长来度量，相当个波长；用弧度来衡量相当于个弧度。若所发射的电磁波在天线处的位相为，那么电磁波被散射回到天线时的相位应是位相的时间变化率

由于目标物的径向运动引起的雷达回波信号的频率变化，它就是多普勒频移或多普勒频率。

2多普勒频率与径向速度的关系现在是4页\一共有41页\编辑于星期二

径向速度简单地定义为目标运动平行于接收机径向的分量。它是目标运动沿接收机径向的分量，既可以向着接收机，也可以离开接收机。需要记住的是：①径向速度总是小于或等于实际目标速度；②由WSR-88D测量的速度只是目标向着或离开接收机的运动；③当目标运动垂直于接收机向或静止时径向速度为零。

对于一个运动的航天器，向着信号发射机运动或远离信号发射机运动所产生的频移量是相同的，但符号不同：经向距离变化率或径向速度R的方向约定当目标与发射机接近时为负，当目标与发射机彼此远离时为正

现在是5页\一共有41页\编辑于星期二2航天多普勒测速原理

当发射机与接收机相对运动而彼此接近时，接收机所接收到的信号频率将高于发射机发射信号的频率；而彼此远离时，接收机信号频率将低于发射机信号频率，这种由于相对运动而使接收机频率不同于发射机发射的频率，也称为“多普勒效应”，被广泛应用到航天器的测试系统中。航天飞行器测速的技术思路：多普勒频率测量——经向速度——飞行速度多普勒测速系统有多种形式，按电磁波辐射源位置不同分为单向和双向多普勒测速系统；按信号源发射的频率个数分为单频和双频测速系统。

现在是6页\一共有41页\编辑于星期二现在是7页\一共有41页\编辑于星期二4.1.1.2单向多普勒测速系统1定义：航天飞行器上的信标机发射连续已知标称频率，由地面接收站测出其多普勒频率，这种系统就称为单向多普勒测速系统。2组成由飞行器上的信标机（包括带恒温装置的晶体振荡器、倍频器和功率放大器）和地面接收设备（包括接收天线、锁相接收机、多普勒频移提取器和测速终端设备）组成。3原理：信标机向地面发射无线电信号，由地面天线接收，直接测量飞行器到测控站间电波单程传播的多普勒频移，从而得到距离变化率，即径向速度数据。为了在飞行器接近和飞离测控站过程中在终端设备不出现多普勒频移的零值和负值现象，往往在实现多普勒频移提取时，人为地加入一个大于最高多普勒频移的偏置频率，最后再从测量结果中减去这个频率，得到真实的测速数据。这种系统的测量精度主要决定于飞行器上信标机的频率稳定度。现在是8页\一共有41页\编辑于星期二4.1.1.2双向多普勒测速系统1定义：双向多普勒测速又称询问式测速系统，通常由地面发射机、地面接收机、发射天线、接收天线和飞行器上应答机组成。2原理；它是将发射、接收设备置于同一测点上，发射机经天线向飞行器发送频率高度稳定的信号，同时将这一信号送至地面接收机作为基准信号。这个信号经飞行器应答机转发或飞行器反射返回到观测点。由于航天器与测控站之间存在相对运动，地面接收设备接收到的返回信号的频率就不同于发射信号的频率，将返回信号与基准信号比较即可得出信号往返双程的多普勒频移（对应于飞行器到观测点间距离变化率的两倍），从而获得飞行器的径向速度。

现在是9页\一共有41页\编辑于星期二3优点：这种系统的测速数据不受信号源频率漂移的影响，地面频标稳定度好，收发公用一个频标，所以双向测速系统的测速精度比单向测速系统的要高。4实现方法：这种系统通常采用多站体制，如以设置在不同位置上的多站接收设备同时接收飞行器转发或反射的信号，可得到多个距离和变化率。两个距离和变化率相减可得到距离差变化率。现在是10页\一共有41页\编辑于星期二4.2测距原理

无线电测距是一种基于电磁波应用技术的测距方法。由于电磁波的传播速度为光速，时间计量单位为纳秒级，而我们的电子产品的响应时间单位为毫秒级，高精器件的响应速度为微秒级，所以，我们不可能直接测量出的电磁波的传播时间，除非测量的距离较远。 对于较近距的无线电测量，通常采用间接测量的方法来实现测量电磁波在空气中的传播时间，进而根据光速换算出物体之间的距离。 无线电测距原理：测距系统的发射机发射一个设计适当的测距信号，接收机接收并恢复收到噪声干扰、时间延迟了的测距信号回波，并从中提取发射与接收信号之间的相对时延，从而确定目标与地面站之间的距离。

对于航天飞行器来说距离远，由于脉冲雷达波的作用受到峰值功率的限制，故在深空测距中都采用连续波（CW）测距，目前应用最多的连续测距信号是侧音和伪码(PN）或者两者的组合。现在是11页\一共有41页\编辑于星期二4.3侧音测距1侧音即单频率正弦波。侧音测距就是将侧音作为基带信号调制到载波上，从地面发上去，经过卫星转发地面被接收解调，此接收信号相对发射信号在相位上延迟了一个，这个相位差就反应了发射点——目标——接收点之间的距离和S。即如果发射和接收共用天线有R0=R1=R，则现在是12页\一共有41页\编辑于星期二侧音相位测量的基本原理理想情况实际情况现在是13页\一共有41页\编辑于星期二2测距误差分析现在是14页\一共有41页\编辑于星期二

当测量距离大于二分之一波长时。单一频率正弦波信号就不足以满足测距信号的要求。为了解决测距精度，可采用一组侧音，比如N个侧音经过适当加权后的组合，作为测距信号，其中最高侧音信号（频率最高）满足测距精度要求，而最低侧音信号保证最大模糊距离，中间的侧音起匹配作用，其中最低侧音频率满足现在是15页\一共有41页\编辑于星期二

侧音测距的优点是距离分辨力高，捕获时间短，设备较简单。但其解距离模糊的过程较为复杂，同时因最低侧音频率的选择要满足最大无模糊距离，当距离很远时，最低侧音频率将过低，这给频率产生带来一定的困难。如月球与地球之间距离为3.8×105km,若用侧音测距，则要求最低侧音频率fmin要满足产生这么低的频率是非常困难的，因此在深空测量时，一般不采用侧音信号，而采用伪码信号。现在是16页\一共有41页\编辑于星期二4.4伪码测距侧音信号的最大无模糊距离受到最低侧音频率的限制，一般而言，当最小频率小于10Hz时，工程实现就比较困难。而伪随机码（PN）则不存在这个问题，PN码可以轻而易举地实现长周期，从而使无模糊距离很大，在深空测距中应用很广。现在是17页\一共有41页\编辑于星期二4.4.1伪码的基本概念及其性质1基本概念确定序列：可以预先确定且能重复实现的序列。随机序列：既不能预先确定也不能重复实现的序列，性能与噪声性能类似（噪声序列）。伪随机序列：貌似随机序列的确定序列（伪随机码、伪噪声序列、ＰＮ码）作用：误码率的测量、通信加密、数据序列的扰码和解码、扩频通信等。现在是18页\一共有41页\编辑于星期二2伪随机序列的特点：（1）在随机序列的每一个周期内0和1出现的次数近似相等

（2）在每个周期内，长度为n的游程出现的次数比长度为n+1的游程次数多1（3）随机序列的自相关类似于白噪声自相关函数的性质现在是19页\一共有41页\编辑于星期二3伪随机序列的产生（1）有限域理论（近世代数，略）（2）可由移位寄存器和反馈逻辑产生。an－1an－2＋c0＝1输出akan－３an－４线性反馈移位寄存器现在是20页\一共有41页\编辑于星期二正状态（状态）：各级移位寄存器的寄存数从右至左的顺序排列（逆着移位脉冲的方向）。由于带有反馈，因此在移位脉冲作用下，移位寄存器各级的状态将不断变化通常移位寄存器的最后一级做输出，输出序列为输出序列是一个周期序列现在是21页\一共有41页\编辑于星期二举例假设初始状态为(an-４

an-３

an-2

an-1)＝(1000)，其反馈逻辑为：an－1an－2＋c0＝1输出akan－３an－４现在是22页\一共有41页\编辑于星期二时钟节拍an-1an-2an-3an-400001110002010030010410015110060110710118010191010101101111110121111130111140011150001输出现在是23页\一共有41页\编辑于星期二信号传播时间4测距码测距原理①距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定信号传播时间的测定现在是24页\一共有41页\编辑于星期二4测距码测距原理②利用测距码测距的必要条件必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点采用的是CDMA（码分多址）技术易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度便于对系统进行控制和管理（如AS）每颗GPS卫星都采用特定的伪随机噪声码微弱信号的捕获现在是25页\一共有41页\编辑于星期二5伪距测量的特点优点无模糊度缺点精度低现在是26页\一共有41页\编辑于星期二一、雷达角度坐标的确定方位角α，高低角β绝对坐标表示法：方位角α——基准为正北，顺时针方向为正高低角β——基准为水平面，向上方向为正相对坐标表示法：测出目标相对于天线轴线的偏离角，再根据天线轴线的实际角度，计算出目标实际角度。4.5角度测量测控系统的任务是对飞行器进行测量和控制，而要实现此目标，首先要通过一种手段，使天线的波束对准飞行目标，以便使天线能感应到来自目标的电磁波。测试工具就是运用雷达。现在是27页\一共有41页\编辑于星期二二、测角的物理基础电磁波在均匀介质中以光速匀速直线传播雷达天线具有方向性三、实际空间电磁波传播非线性影响实际空气介质的非均匀性使电磁波传播轨迹弯曲近距离测角，影响可以忽略远距离测角，测量数据必须修订4.5角度测量现在是28页\一共有41页\编辑于星期二四、天线方向图近似表示天线的方向性用方向性函数表示——电场强度幅度的归一化余弦函数4.5角度测量现在是29页\一共有41页\编辑于星期二高斯函数4.5角度测量现在是30页\一共有41页\编辑于星期二辛克函数4.5角度测量现在是31页\一共有41页\编辑于星期二五、天线方向图的主要技术指标半功率波束宽度θ0.5[F(θ0.5)≈0.707]——影响测角精度副瓣电平——影响雷达的抗干扰性能4.5角度测量现在是32页\一共有41页\编辑于星期二六、雷达测角性能的度量测角范围测角速度角度分辨力测角准确度测角精度4.5角度测量现在是33页\一共有41页\编辑于星期二角度分辨力——雷达将相同距离上相互靠近的两个目标区分开的最小角度。θ0.5角度分辨力由天线半功率波束宽度决定4.5角度测量现在是34页\一共有41页\编辑于星期二测角方法振幅法相位法最大信号法等信号法最小信号法两天线相位法三天线相位法测角方法及其比较

现在是35页\一共有41页\编辑于星期二测角方法一相位法测角

1.基本原理

相位法测角利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。如下图,设在θ方向有一远区目标,则到达接收点的目标所反射的电波近似为平面波。由于两天线间距为d,故它们所收到的信号由于存在波程差ΔR而产生一相位差φ,其中λ为雷达波长。如用相位计进行比相,测出其相位差φ,就可以确定目标方向θ。相位法测角方框图现在是36页\一共有41页\编辑于星期二

由于在较低频率上容易实现比相,故通常将两天线收到的高频信号经与同一本振信号差频后,在中频进行比相。设两高频信号为

u1=U1cos(ωt-φ)u2=U2cos(ωt)本振信号为

uL=ULcos(ωLt+φL)其中，φ为两信号的相位差；φL为本振信号初相。u1和uL差频得uI1=UI1cos［(ω-ωL)t-φ-φL］测角方法现在是37页\一共有41页\编辑于星期二u2与uL差频得

uI2=UI2cos［(ω-ωL)t-φL］可见，两中频信号uI1与uI2之间的相位差仍为φ。

左图。接收信号经过混频、放大后再加到相位比较器中进行比相。其中自动增益控制电路用来保证中频信号幅度稳定,以免幅度变化引起测角误差。

相位法测角方框图

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二.等信号法

等信号法测角采用两个相同且彼此部分重叠的波束,其方向图如图7.7(a)所示。如果目标处在两波束的交叠轴OA方向,则由两波束收到的信号强度相等,否则一个波束收到的信号强度高于另一个(如图7.7(b)所示)。故常常称OA为等信号轴。当两个波束收到的回波信号相等时,等信号轴所指方向即为目标方向。如果目标处在OB方向,波束2的回波比波束1的强,处在OC方向时,波束2的回波较波束1

的弱。等信号轴1、2波束收到回波相等2波束收到回波强1波束收到回波强现在是39页\一共有41页\编辑于星期二

设天线电压